KR100192851B1 - 터널굴진기의 위치자세 계측방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

급곡진시공이나, 구배시공이나, 높이가 도중에서 변화하는 시공에서도 터널굴진기의 위치 및 자세를 고정도로 계측한다.

(1) 터널굴진기(5) 후방의 측점(B)에서 터널굴진기(5)의 측점(C)에 설치된 목표를 시준할 때에, 터널굴진기(5)의 측점(C)에 설치된 목표의 임의로 정한 점을 측점(B)으로부터 시준(視準)하도록 하고, 또한 측점(C)에 설치된 목표로부터 측점(B)을 향하는 각이 임의로 정한 각도를 되도록 하고, (2) 측점(B)에서 측점(C)의 목표를 향하는 각도와 거리 및 임의로 정한 점의 위치를 사용하여 측점(C)의 위치를 산출하고, (3) 측전(C)에 설치된 목표에서 측점(B)을 향하는 각도와 목표의 수평레벨(S)혹은 터널굴진기(5)의 수평레벨(S')로부터 터널굴진기(5)의 자세를 산출하고, (4) 터널굴진기(5)의 측량중에 임의의 시간에, 터널굴진기(5)의 후방에 설치된 측전(B)에서 또한 후방에 설치된 이미 알고 있는 측점(A)에 설치된 목표를 시준하여, 측점(B)의 위치를 산출하여, 터널굴진기(5)의 위치를 이미 알고있는 측점(A)으로부터 산출하는 것으로 하였다.

Description

터널굴진기의 위치자세 계측방법 및 장치

제1도는 제1실시예의 요소배치도이다.

제2도는 실시예에 있어서의 가대의 사시도이다.

제3도는 실시예에 있어서의 레이저발진부의 요소배치도이다.

제4도는 실시예에 있어서의 수광부의 요소배치도이다.

제5도는 실시예에 있어서의 제1예인 수광기의 요소배치도이고, (a)는 측면도, (b)는 사시도이다.

제6도는 실시예에 있어서의 수광기의 다른 요소배치도이고, (a)는 제2열의 측면도, (b)는 제3영의 측면도이다.

제7도는 실시예에 있어서의 반사프리즘의 도면이고, (a)는 단면도, (b)는 사시도이다.

제8도는 실시예에 있어서의 설치 및 위치자세 계측의 수순을 표시하는 플로우챠트이다.

제9도는 레이저발진기와 수광기와의 상대회전을 표시하는 도면이다.

제10도는 제2실시예의 요소배치도이다.

제11도는 제8도의 일부를 변경한 플로우챠트이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 반사프리즘 4 : 제어기

5 : 터널굴진기 21 : 레이저발진기

23 : 광검출기 24 : 광파거리계

31 : 수광기 32 : 반사프리즘

33 : 경사계 L2 : 거리데이터

S : 수평레벨 θf1,θf2 : 굽어보는각

θs1,θs2 : 수평각(L1)

본 발명은, 터널굴진기의 위치자세 계측방법 및 장치에 관한 것이다.

터널굴진기의 위치 및 자세를 계측하는 일은, 예컨데 터널굴진기를 정확하게 방향수정하던가, 또 터널굴진기가 후공정에서 조립한 세그먼트와 간섭하던가 하는 것을 피하는 면에서 중요한 기술이다. 특히 최근, 지하구조물이나 기존터널이 많은 지역에서는 굴진형태가 복잡화하고, 급곡선화하기 때문에, 또 하수도시공 등에서는 시공형태의 고정도화가 요구되기 때문에, 보다 고급인 위치자세계측기술이 요구된다. 그리고 또, 터널굴진기의 고속굴진화에 따라, 손에 의한 위치자세 계측은 대응하기 어겹고, 위치자세 계측기술의 자동화도 요청되고 있다. 종래 여러 가지 터널굴진기의 위치자세 계측장치 및 방법이 제안되고 있다.

(1) 예컨데, 중력을 이용한 경사계(計)나 지구의 자전을 이용한 방위자이로를 이용하여 터널굴진기의 자세를 측정할 수가 있다.

(2) 특개평6-11344호 공보에서는, 자동추미식측 지축각에 의하며, 측량기준이 되는 3점의 목표를 설치한 이동체의 이동전 목표의 3차원 좌표위치를 구하고, 이어서 이동후 목표의 3차원 좌표위치를 구하여, 이동체의 위치를 검출함과 아울러, 이동전후의 3점 목표의 좌표변화량으로부터 이동체의 경사량을 검출하는 이동체 위치자세 측략방법이 개시되어 있다.

(3) 특공평4-74649호 공보에서는, 레이저발진기 및 관측거기를 일체로 지지하여 동일방향으로 향한 상태에서 가대에 고정하고, 가대로부터 이간한 위치에 레이저발진기로부터의 레이저광을 하우징 전면(前面)에 설치된 스크린에서 빛을 받아 수광스폿(spot)위치좌표를 상기 하우징의 내부에 설치된 카메라에서 검출하는 위치검출용 목표와, 광측기로부터 빚을 반사시키는 측거용 목표를 이동체에 부착한 자동측량장치를 사용하여, 레이저발진기의 빛을 스크린에 수직으로 맞닿도록 하우징을 회전시키는 측량벙법이 개시되어 있다.

그러나 상기 기술에는 다음과 같은 문제가 있다.

(1) 방위자이로에 의한 터널굴진기의 방위(굴진기의 방향을 수평면으로 투영한 방향과 정확히 북쪽이 되는 각에 있어서 회전각(yawing angle)이다)와, 경사계의 표시하는 각(굴진기의 방향과 수평면이 되는 각인 피칭각과, 굴진방향을 축으로 하는 각도성분이 되는 로링각으로 이루어진다)으로부터 터널굴진기의 위치를 알기 위하여, 이들을 기초로 측정간의 굴진거리(통상, 터널굴진기의 작키스트록 길이)를 적분하여 가는 방법이 있으나, 터널굴진기는 수평이동을 발생하면서 굴진해가는 일이 있고, 굴진방향에 따른 굴진거리를 측정하는 일이 실제상 곤란하다는 문제가 있다.

(2) 특개평8-11344호 공보 기재의 기술은, 경사량의 정밀도가 위치측정정밀도와 3점 목표의 배치면적으로 결정된다고 하는 문제가 있다. 구체적으로는, 회전각도 정밀도를 예컨데 3분으로 측정하고자 할 때, 길이에 대한 정밀도는 1/1000 이상 필요하고, 1㎜정밀도의 측량기를 사용하였다고 하면, 상호간격이 1m인 것 같은 목표배치가 필요하다. 그러나, 터널굴진기의 내부는, 쟈키나 배송관 등이 번잡하게 설치되어 있기 때문에, 이와 같은 배치간격의 목표를 복수배치하던가, 또 목표에 대하여 시준(視準)할 수 있는 공간을 확보하는 일은 곤란하다. 특히 보다 큰 시준공간을 필료로 하는 곡진(曲進)시공에서는, 실제사용이 곤란하다.

(3) 특공평4-74649호 공보기재의 기술은, 상기 곡선시공에 대응할 수 있는 구성으로 되어 있다. 그러나, 이 기술에서는, 구광기의 방향을 레이저발진기에 대하여 수직으로 향하는 방법의 기재가 없고, 이 때문에 직선시공부와 곡선시공부의 복합시공의 경우나, 곡률이 굴절도중에서 변화하던가, 또 굴진결과로서 약간 굽은 경우와 같은 경우에 있어서, 자동 추종이 곤란하다. 따라서, 이 경우 손에 의한 번잡한 조정이 필요하고, 이 때문에 시간적 효율이 저하하는 실용상문제도 생긴다. 그리고, 이 기술은 터널굴진기의 위치를 검출하는 기술이고, 자세검출에 대하여는 기재되어 있지 않다. 즉, 종래기술에 의하면, 시준공간의 확보가 곤란한 목표가 필요하여지던가, 빛의 입사각에 제한이 있기 때문에, 자동추종이 어렵다는 문제가 있고, 이 결과 급한 곡진시공이나, 구배시공이나, 높이가 도중에서 변화하는 시공에서는, 터널굴진기의 위치 및 자세를 고정도로 계측하기 어렵다는 문제가 있었다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 감안하여, 최근 시공사례가 생긴 급한 곡진시공이나, 구배시공이나, 높이가 중도에서 변화하는 시공에서도, 터널굴진기의 위치 및 자세를 고정밀도로 계측할 수 있는 터널굴진기의 위치자세 계측장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 터널굴진기의 위치자세 계측방법은, 트래버스 측량의 요령으로 터널굴진기의 우치자세 계측방법에 있어서, (1) 터널굴진기(5) 후방의 측점(B)에서 터널굴진기(5)의 측점(C)에 설치된 목표를 시준할 때에, 터널굴진기(5)의 측점(C)에 설치된 목표의 임의로 정한 점을 측점(B)에서 시준하도록 하고, 또한 측점(C)에 목표에서 측점(B)을 향하는 각이 임의로 정한 각도로 되도록 하고, (2) 측정(B)에서 측점(C)의 목표를 향하는 각도와 거리 및 임의로 정한 점의 위치를 사용하여, 측점(C)의 위치를 산출하고, (3) 측점(C)에 설치된 목표에서 측점(B)을 향하는 각도와 목표의 수평레벨(S)혹은 터널굴진기(5)의 수평레벨(S')에서 터널굴진기(5)의 자세를 산출하고, (4) 터널굴진기(5)의 측류중에 임의의 시간에, 터널굴진기(5)의 후방에 설치된 측점(B)에서 더욱 후방에 설치된 측점(A)에 설치된 목표를 시준하는 것에 의하여 측점(B)의 위치를 산출하고, 터널굴진기(5)의 위치를 이미 알고있는 측점(A)에서 산출하는 것을 특징으로 하고 있다.

한편, 본 발명의 터널굴진기의 위치자세 계측장치는, 제1도에 표시하는 바와 같이, 터널굴진기의 위치 및 자세를 계측하는 것을 달성하여 이루어지는 터널굴진기의 위치자세 계측장치에 있어서, (1) 터널굴진기(5)의 측점(C)에, 레이저발진기(21)와 광파거리계(24)에 대하여 정면대응 가능하게 되도록, 레이저발진기(21)로부터의 레이저광을 받아서 그 입사위치와 입사각도를 검출할수 있는 수광기(31)와, 반사프리즘(32)을 수펑방향으로 회전 가능하게 설치함과 아울러, 수광기(31)의 수평레벨(S) 혹은 터널굴진기의 수평레벨(S')을 검출하는 경사계(33)를 설치하고, (2) 터널굴진기(5) 후방의 측점(B)에, 상기한 수광기(31)와 상기한 반사프리즘(32)에 대하여 정면대응 가능하도록 하는 한편, 후방의 측접(A)에 반사프리즘(1)을 설치한 때는 뒤에서 보아 이 반사프리즘(1)에 대하여도 정면 대응 가능하도록, 상기한 레이저발진기(21)와 상기한 광파거리계(24)를 굽어보는 방향 및 수평방향으로 회전 가증하게 설치함과 아울러, 상기한 반사프리즘(1)(32)에서 반사한 상기한 레이저발진기(21)로부터의 레이저광을 받는 광검출기(23)를 설치하고, (3)원하는 위치에, 레이저발진기(21)와 광파거리계(24)의 굽어보는 방향 및 수평방향으로의 회전각도와, 수광기(31)와 반사프리즘(32)의 수평방향으로의 회전각도를 제어조정하고, 레이저발진기(21)와 광파거리계(24)의 굽어보는 방향 및 수평방향으로의 회전각도와, 수광기(31)와 반사프리즘(32)의 수평방향으로의 회전각도와, 수광기(31)에 의하여 검출된 빛의 입사위치와 입사각과, 광파거리계(24)에서 반사프리즘(1)(32) 사이의 각각의 거리와, 경사계(33)로부터 수광기(31)가 수평레벨(S) 혹은 터널굴진기(5)의 수평레벨(S')을 판독하여 터널굴진기(5)의 위치 및 자세를 산출하는 제어기(4)를 구비한 것을 특징으로 하고 있다.

[작용]

본 발명에 의하면, 터널굴진기(5) 후방의 측점(B)에서 터널굴진기(5)의 측점(C)에 설치된 목표를 시준할 때에, 터널굴진기(5)의 측점(C)에 설치된 목표의 임의로 결정한 점을 측점(B)에서 시준(視準)하도록 하고, 또한, 측점(C)에 설치된 목표에서 측점(B)을 향하는 각이 임의로 결정된 각도로 되도록 하고 있기 때문에, 측점(B)에 설치되는 기기(예컨대 측량기)와 측점(C)에 설치된 목표를, 예컨데 터널굴진기(5)가 운전중이라도 서로 정면으로 대응시키는 것이 명시되어있지 아니한 제어기(4)의 지령에 의하여, 자동 또한 용이하게 행할 수 있다.

그리고 측점(B)에서 측점(C)의 목표를 향하는 각도와 거리 및 임의로 정한 점의 위치를 사용하여, 측점(C)의 위치를 산출하고, 측점(C)에 설치된 목표에서 측점(B)을 향하는 각도와 목표의 수평레벨(S) 혹은 터널굴진기(5)의 수평레벨(S')에서 터널굴진기(5)의 자세를 산출하는 것에 의하여, 측점(B)을 위치기준으로 하여, 측점(C)의 위치를 알 수 있고, 측점(B)에서 측점(C)에 향하는 수평각을 기준으로 터널굴진기(5)의 수평각으로서의 굴진방향과 수평레벨의 자세를 알수 있다. 그리고, 터널굴진기(5)의 측량중 임의 시간에, 터널굴진기(5)의 후방에 설치된 측점(B)에서, 또한 후방에 설치된 이미 알고 있는 측점(A)에 설치된 목표를 시준하는 것에 의해, 측점(B)의 위치를 산출하고, 측점(A)과 측점(C)이 보이는 위치관계에 없더라도, 터널굴진기(5)의 위치를 이미 알고 있는 측점(A)으로부터 산출할 수가 있기 때문에, 곡선시공에도 대응할 수 있다.

또, 본 발명의 장치에 의하면, 터널굴진기(5) 후방의 측점(B)에 레이저발진기(21)와 광파거리계(24)를 굽어보는 방향 및 수평방향으로 회전 가능하게 설치함과 아울러, 터널굴진기(5)의 측점(C)에, 레이저발진기(21)에서 레이저광을 받아서, 그 입사위치와 입사각도를 검출할 수 있는 수광기(31)와, 반사프리즘(32)을 수평방향으로 회전 가능하게 설치하고 있으므로, 수광기(31)에 의하여 검출되는 입사위치를 임의로 정한 위치로 되도록, 레이저발진기(21)와, 광파거리계(24)의 굽어보는각 및 수평각을 제어기(4)의 지령에 따라 조정하는 것이 가능하고, 또한, 수광기(31)의 검출하는 입사각(역으로 보면, 측점(C)으로부터 측점(B)을 향하는 각)을, 수광기(31)와 반사프리즘(32)이 수평으로 회전 가능하게 부착된 가대각도를 조정하는 것에 의하여 임의로 정하여진 각도로 되도록 할 수가 있다. 즉, 레이저발진기(21)와 수광기(31)는, 터널굴진기(5)가 굴진중에 있어도 정면으로 대향한 배치를 제어기(4)의 지영에 의하여 할 수가 있다. 그리고, 광파거리계(24)는, 반사프리즘(32) 및 후술하는 측점(A)에 설치된 반사프리즘(1) 사이의 거리를 계측한다. 레이저발진기(21)와 광파거리계(22)의 굽어보는각, 수평각, 광파거리계(22)에 의해 계측된 거리, 또한 수광기(31)에 의하여 검출된 빛의 입사위치를 가미함으로서, 측점(B)의 위치에서 측점(C)의 위치를 산출할 수가 있다.

그런데, 수광기(31)의 레벨(S)과 터널굴진기(5)의 레벨(S')은 회전에 의한 변환을 서로에게 관계할 수 있기 때문에, 터널굴진기(5)의 레벨(S')을 검출하는 위치에 경사계(33)를 설치해서, 수광기(31)의 자세를 산출하는 일은 용이하다. 그래서, 수광기(31)의 수평레벨(S) 혹은 터널굴진기의 수평레벨(S')을 검출하는 경사계(33)를 설치하여, 수광기(31)가 검출하는 빛의 입사각과 경사계(33)의 신호를 제어기(4)가 판독, 수광기(31)의 롤링에 의하여 생기는 오차를 보정하고, 수광기(31)가 검출하는 빛의 입사각을 절대수평레벨을 기준으로 회전성분과 피칭각성분으로 산출할 수 있는 구성으로 되어 있다. 또한, 제어기(4)는 수광기(31)의 수평방향으로의 회전 가능하게 부착된 각도를 판독, 그들의 회전 변환을 실시하여 터널굴진기(5)의 자세를, 빛의 입사각의 수평성분을 기준으로 한 터널굴진기(5)의 굴진방향의 회전각을 포함해서 연산할 수 있다.

또, 별도의 수단(통상의 측량)에 의하여 위치를 정한 측점(B)의 또가른 후방의 측점(A)에 반사프리즘(1)을 설치하고, 레이저발진기(21)가 반사프리즘(1)을 시준하는 것에 의하여, 시준한 굽어보는각, 수평각 및 광파거리계(24)의 측정할 거리를 바탕으로 측점(B)의 위치를 이미 알고있는 측점(A)의 위치로부터 구하는 것이 가능한 구성으로 되어 있다.

이때, 레이저발진기(21)가 반사프리즘(1)을 시준하고 있는가 아닌가를, 반사프리즘(1)에서 되돌아오는 빛을 받는 광검출기(23)를 레이저발진기(21)와 함께 설치한 구성으로 하고 있다.

[실시예]

제1도 내지 제11도를 참조하여 실시예를 설명한다. 제1도 내지 제9도는 제1실시예, 제10도는 제2실시예를 설명하는 도면, 제11도는 제8도의 일부 변경도이다. 제1실시예는 제1도에 표시하는 바와 같이 반사프리즘(1)을 터널굴진기(5) 후방의 이미 알고 있는 위치에 레이저발진부가대(2)를 반사프리즘(1)과 터널굴진기(5)의 사이에, 수광부가대(3)를 터널굴진기(5)의 이미 알고 있는 위치에, 그리고 제어기(4)를 예컨데 터널(6)의 입갱내 등에 배치하여 구성된다. 상세하게는 다음과 같다.

레이저발진부가대(2)와 수광부가대(3)는, 어느 것이나 가대의 기기부착대 위에, 후술하는 각종 기기를 설치하여 구성된다.

먼저, 제2도를 참조하여 가대(7)를 설명한다. 가대(7)는 직교하는 2축을 구비하고, 예컨대 스텝모터(71)(72)에 의하여 기기부착대(73)를 각 축둘레에 굽어보는 방향 및 수평방향으로 회전 가능하게 하고 있다.

기기부착대(73)위에는, 레이저발진부가대(2)이면, 제3도의 배치예에 표시하듯이, 레이저발진기(21), 비임스프릿터(22), 광검출기(23) 및 광파거리계(24) 등 각종 기기가 배치되어 있다. 그리고, 여기에서 레이저발진기(21)와 광파거리계(24)는, 각각의 광축(光軸)이 동일방향에서 병향한 위치에서 시준될 수 있도록 배치하고 있다. 다른 한편, 수광부가대(3)이면, 제4도의 배치예에 표시하는 바와 같이, 수광기(31) 및 반사프리즘(32) 등의 각종 기기가 배치되어 있다. 또한 여기에서 수광기(31)와 반사프리즘(32)은, 각각의 수광면이 동일방향을 향하도록 배치하고 있다. 따라서, 수광기(31)와 반사프리즘(32), 굽어보는 방향으로 회전하는 것에 의하여, 상기한 레이저발진기(21)나 광파거리계(24)에 대하여 정면대응 가는하게 되어 있다.

또, 이 수광부가대(3)에는, 제1도에 표시하는 바와 같이, 수광기(31)의 수평레벨(즉, 경사각)을 검출하는 경사계(33)도 배치하고 있다.

이하, 각 기기의 상세를 순서에 따라서 설명한다.

레이저발진기(21)는, 수광기(31)에 레이저광을 투사하여 수광기(31)에서 수광위치와 입사각도를 얻기 위한 광원임과 아울러, 반사프리즘(1)을 뒤에서 볼 때의 광원이기도 하다.

레이저광은, 장거리에서도 비임지름이 넓어지기 어렵기 때문에, 수광기(31)에서 수광위치나 반사프리즘(1)(23)으로의 시준을 작은 스폿지름(spot)으로 행하고, 이 때문에 상세한 설명은 후술하는 바와 같이, 보다 고정밀도한 위치측정, 수평각측정 및 자세각측정을 행할 수가 있다.

그리고, 이 레이저발진기(21)는, 본 실시예에서는 1개이나 수광기(31)나 반사프리즘(1)(23)의 특성(예컨대 사용파장 등과의 겸용)에서 보아 별개로 구비한 쪽이 좋은 경우에는 복수 배치하여도 좋다. 또 후술하는 광파거리계(24)에 내장된 광원이, 레이저발진기인 경우, LED라도 광학계에 의하여 광방사의 비임지름이 넓어지기 어려운 설계의 경우는 레이저발진기(21)로 대체시켜도 좋다(이 경우, 광파거리계(24)에는 후술하는 비임스프릿터(22)와 광검출기(23)에 의한 반사프리즘(1)(32)에 대하여, 중심탐지기능을 구비하고 있을 필요가 있고, 중심탐지기능을 구비하고 있지 않으면, 시준오차를 일으킨다. 또, 후술하는 수광기(31)에서 수광가능 파장인 것이 필요하다).

비임스프릿터(22)는, 반사프리즘(1)을 뒤에서 볼 때, 또 후술하는 반사프리즘(32)을 앞에서 볼 때, 레이저발진기(21)로부터의 레이저광을 투과시켜, 그후, 반사프리즘(1)(32)에서 반사한 레이저광을 받아서 광로(光路)를 후술하는 광검출기(23)로 변경하는 것이다. 즉, 광검출기(23)는, 반사프리즘(1)(32)에서 반사레이저광을 수광함과 아울러, 이 수광에 의하여 전시(前視) 및 후시(後視)의 달성을 검출하는 것이고, 또한, 반사프리즘(1)(32)의 반사특성(제7도(a)에 표시하는 것 같이, 입사광에 대하여 평행으로 반사광을 비춤과 아울러, 비임지름이 프리즘지름보다 작은 빛의 경우, 제7도(b)에 표시하는 것 같이, 중심으로부터 벗어난 위치에 입사한 빛은, 중심에서 대상인 위치에서 빛을 비춘다)에서 레이저발진기(21)로부터 방사하는 빛과 동일 경로에서 되돌아온 빛을 검출하는 (검출기의 전면(全面) 등에 핀홀을 배치하던가하여 달성된다)것에 의하여, 프리즘중심을 탐지할 수 있고, 시준오차를 없앨 수 있다. 그리고, 광검출기(23)는, 반사광과 되돌아오는 빛의 위치오차(반사광과 동일경로에서 되돌아온 때의 검출기로의 입사위치를 0으로 한 평면위치)을 검출할 수 있도록, 다수 평면적으로 배열한 것으로 구성하여도 좋고, 후술하는 수광기(31)에서 사용하고 있는 것 같은 평면 광입사위치를 검출할 수 있는 것으로 만들어져 있어도 좋고, 이 위치오차량을0으로 하도록 레이저발진기(21)의 굽어보는각, 수평각을 제어하고, 반사프리즘(1)(32)의 중심을 탐지하도록 하여도 좋다.

또, 이 검출기(23)와 레이저발진기(21)의 상에는, 다른 유효한 광학계를 매개로 하여도 좋다. 광파거리계(24)는, 레이저발진부가대(2)로부터 반사프리즘(1)까지의 뒤에서 본 거리(L1)와, 반사프리즘(32)까지의 앞에서 본 거리(L2)를 각각 측정하기 위한 것이다.

수광기(31)는, 가는 비임(본 실시예에서는, 레이저발진기(21로부터의 레이저광)이 입사하는 것으로, 수광면의 중심위치와 레이저광의 수광위치의 위치오차량과, 수광면의 법선방향에 대한 레이저광의 입사각을 동시에 계측할 수 있는 것을 사용한다. 이에 의하여, 빛을 사용해서 터널굴진기(1)의 취치자세를 계측할 때에 문제로 되어 있는 광로의 확보를 작게 업제하고 있다. 그리고, 이와같은 수광기(31)로서는, 예컨대, 제5도(a) 및 그 사시도(b)에 표시하는 바와 같이, 투광성을 구비한 제1수광면과, 이 후방에 배치된 제1수광면(31a)으로부터의 투과광을 수광하는 제2수광면(31b)을 구비한 것이나, 제6도(a)에 표시하는 바와 같이, 양 수광면(31a)(31b)의 사이에 제2수광면(31b)의 중심(O₂)을 초점으로 한 집광렌즈(31c)를 구비한 것이나, 제6도(b)에 표시하는 바와 같이, 제1수광면(31a)의 전방에 제2수광면(31b)의 중심(O₂)을 초점으로 한 집광렌즈(31c)를 구비한 것을 예시할 수 있다. 그리고, 제5도의 수광기(31)를 예로서 설명하면, 위치오차량(y1, z1)이 레이저광에 대한 수광기(31)의 위치를 부여하고, 입사각이 레이저광에 대한 광검출기(23)의 회전각(=tan^-1{(y2-y1)/L}과 피칭각(=tan^-1{(z2-z1)/L})을 부여하는 것을 용이하게 알 수 있다. 바꾸어 말하면, 레이저광이 수평으로 방사되고, 또한 수광기(31)가 롤링하고 있지 않다면, 위치오차량(y1, z1)은 수광기(31)의 절대위치를 부여하고, 한편, 입사각은 수광기(31)의 절대적 피칭각과 절대적 회전각을 부여한다.

반사프리즘(32)은, 전술한 바와 같이, 광파거리계(24)로부터의 레이저광을 반사하여, 광파거리계(24)에서 앞에서 본거리(L2)를 측정 가능하게 하는 외에, 레이저발진기(21)에서의 레이저광을 반사하여 광검출기(23)에서 검지시키는 것이다.

경사계(33)는, 수광기(31)의 2방향에서 수평레벨(S)을 검출하기 위한 것이다. 그리고, 수광기(31)의 2방향에서 수평레벨(S)과 터널굴진기(5)의 수평레벨(S')은, 수광부가대(3)의 가동회전축 각도를 사용하여 회전량의 변환을 행하는 것에 의해여 관계시킬 수 있으므로, 경사계(33)는, 터널굴진기(5)에 부착하도록 하여 도 좋다. 또, 피칭각의 검출에 관하여는, 수광기(31)와 경사계(33)에 의하여 길게되어 있으나, 측정정도의 높은 쪽을 채용하면 좋고, 장래적으로는, 경사계(33)는, 수광기(31)의 롤링각 혹은 터널굴진기(5)의 롤링각만을 계측하는 것만으로 좋은 구성으로 할 수도 있다. 그리고, 반사프리즘(1)은, 후술하는 트래버스측량에 있어서의 기준점으로 되는 것으로, 전술한 바와 같이, 레이저발진기(21)로부터의 레이저광을 반사하여 이 반사레이저광을 광검출기(23)에서 검지시키는 것이다.

이상, 각 기기에 대하여 설명하였으나, 제어기(4)의 설명에 앞서서, 또 제어기(4)의 이해를 돕기 위하여, 상기 각 기기간의 상호관련을 다음에 설명한다.

(1) 레이저발진부가대(2)는, 전방 수광기(31)와, 후방 반사프리즘(1)을 시준하기 위하여 수평방향으로의 회전이 가능하게되고, 또 각각의 설치높이가 틀리던가, 추진중에 높이가 변화하여도 시준할 수 있도록, 굽어보는각의 회전도 가능하게 되어 있다. 그리고, 이들 굽어보는 수평회전의 기준은 다음과 같다.

수평각(θs1)의 기준은, 반사프리즘(1)(뒤에서 봄)으로부터 수광기(31)(앞에서 봄)까지의 좁은각을 측정하는 것뿐이므로 엄밀하게 설정할 필요는 없다. 다만, 레이저발진부가대(2)의 간편성을 도모하기 위해, 또한 터널굴진기(5)의 회전각을 굴진방위로서 산출할 때, 반사프리즘(1)에서 레이저발진기(21)를 결합한 방위를 기준으로 하므로, 레이저발진기의 간편성을 도모하기 위해, 또한 터널굴진기(5)의 회전각을 굴진방위로서 산출할 때, 반사프리즘(1)에서 레이저발진기(21)를 결합한 방위를 기준으로 하므로, 레이저발진기(21)가 반사프리즘(1)을 향한 때를 기준으로 하여도 좋다. 그리고 수평회전축이 기울어 있으면, 협각으로 오차가 수반되므로, 이 경우는 별도 준비한 수준기로 수평회전축의 수직성을 보정하여 상기한 오차를 해소한다.

이에 대하여, 굽어보는각(θf1)의 기준은, 레이저발진기(21)가 수평 평면내에 레이저방사가 가능할 때 등을 기준으로 하면 좋고, 이와 같은 기준에 따라 부양 시키면 된다.

(2) 경사계(33)에서 검출한 수광기(31)의 기울기와, 수광부가대(3)의 굽어보는수평각(θf2)(θs2)에 의하여, 터널굴진기(1)의 롤링각을 산출할 수 있음은 명백하다, 반대로 레이저광의 방사방향(예컨대, 수평, 북으로 방사되어 있을 것)이 미리 알려져 있으면, 수광기(31)가 검출한 레이저광의 입사각과, 수광부가대(3)의 굽어보는 수평각(θf2)(θs2)에 의하여, 터널굴진기(1)의 회전각 및 피칭각 또한 산출할 수 있는 것이 명백하다, 즉, 터널굴진기(1)의 자세(롤링각, 회전각, 피창각)를 계측할 수 있는 것이다.

(3) 수광기(31)의 제1수광면에서 수광위치(즉, 상기 위치오차량(y1, z1)을 터널굴진기(1)의 임의의 위치로부터 좌표변환하는 것으로 터널굴진기(1)에 대한수광기(31)의 수광위치를 산출할 수 있는 것도 명백하다. 따라서, 광파거리계(24)에 의한 거리데이터(L1)(L2)와, 협각에 의한 트래버스측량을 가미하는 것에 의하여, 터널굴진기(1)의 위치를 계측할 수 있다.

(4) 그리고, 상기 산출에 있서의 유의사항을 보정 설명하면, 레이저발진부가대(2)의 굽어보는 수평각(θf1)(θs1)에 의하여, 레이저발진기(21)에서 레이저광의 방사방향이 미리 알려져 있기 때문에, 레이저광은 수광기(31)의 수광면에 대하여 수직으로 수광될 필요는 없다. 또 반대로, 수광기(31)는 입사각을 검출할 수 있기 때문에, 레이저광(31)의 수광면에 수직으로 수광되어도 좋다. 그리고, 이와 같이 되도록, 후술하는 제어기(4)에 의하여 수광부가대(3)의 굽어보는 수평각(θf2)(θs2)을 자동제어 하여도 좋다. 그리고, 제어기(4)에 의해서 이와 같은 추종동작의 자동화를 행할 때는, 제어기(4)는 터널굴진기(1)에 대한 수광기(31)의 부착위치, 수광부가대(3)가 수평회전할 때의 회존원점(0도)과 굴진방향(회전각)의 차이 및 수광부가대(3)가 굽어볼 때의 회전원점에 대한 터널굴진기(1)의 피칭각의 차이 등을 제조시에 알 수 있는 정보로서, 미리 입력하여 기억하고 적절하게 적용할 수 있도록하여 둔다.

이상의 설명에서 명백한 바와 같이, 본 제1실시예에 있어서의 제어기(4)는 다음과 같은 기증을 구비하고 있다.

(1) 레이저발진부가대(2)의 굽어보는수평각(θf1)(θs1)과, 수광부가대(3)의 굽어보는 수평각(θf2)(θs2)을 각각 제어함과 아울러, 이들 제어된 각 굽어보는 수평각(θf1)(θs1)(θf2)(θs2)과, 수광기(31)에서 수광레이저광의 위치오차령 및 입사각과, 경사계(33)로부터의 수광기(31)의 기울기와 광파거리계(24)에서 2개의 반사프리즘(1)(32)까지의 거리데이터(L1)(L2)와, 협각으로부터 터널굴진기(1)의 위치자세를 산출한다.

(2) 레이저발진기(21)의 부착시나 터널굴진기(1)의 굴진중의 적당한 시각에, 반사프리즘(1)을 시준할 필요가 있다. 이 때문에 이 뒤에서 볼 때에는, 레이저발진부가대(2)의 굽어보는 수평각(θf1)(θs1)을 뒤에서 보기 위한 각도로 설정함과 아울러, 이때의 수평진동각과, 거리데이터(L1)로부터 반사프리즘(21)에서 본 레이저발진기(1)의 자기위치를 검증하여, 터널굴진기(1)의 위치자세 산출치의 수정 유무를 검증하고, 수정이 있으면 이것을 수정한다.

(3) 레이저발진부가대(2)의 굽어보는수평각(θf1)(θs1)과 수광부가대(3)의 굽어보는 수평각(θf2)(θs2)을 각각 어떤 각도로 설정한 후, 수광기(31)의 검출데이터인 레이저광의 입사위치와 입사각이 얻어지지 않을 때는, 레이저발진부가대(2)의 굽어보는 수평각(θf1)(θs1)의 설정을 조정함과 아울러, 수광기(31)가 입사위치 및 입사각의 데이터가 얻어지는 범위로 되도록 수광부가대(3)의 굽어보는 수평각(θf2)(θs2)의 설정을 재조정한다. 또한, 같은 방법으로 레이저발진부가대(2)의 굽어보는수평각(θf1)(θs1)과, 수광부가대(3)의 굽어보는수평각(θf2)(θs2)을 각각 어떤 각도로 설정한 후, 반사프리즘(1)을 뒤에서 볼 수 없을 때는, 레이저발진부가대(2)의 굽어보는수평각(θf1)(θs1)의 설정을 재조정한다. 한편, 가령, 레이저발진기(21)로부터의 레이저광이 수광기(31)의 수광면과 반사프리즘(1)에 적당하게 투사되었다고 하더라도, 광파거리계(24)로부터의 거리 측정용 레이저광이 양 반사프리즘(1)(32)에 투사되지 않을 때는, 이때도 레이저발진부가대(2)의 굽어보는수평각(θf1)(θs1)의 설정을 조정한다.

(4) 제어기(4)에 의하여 이와 같은 추종동작의 자동화를 행할 때는 상술한바와 같이, 예컨대 터널굴진기(1)에 대한 수광기(31)의 부착위치나, 수광부가대(3)가 수평회전할 때의 회전원점(0도)과 굴진방향(회전각)의 차이나, 수광부가대(3)가 굽어볼 때의 회전원점에 대한 터널굴진기(1) 피칭각의 차이 등과 같이. 터널 굴진기(1)의 위치자세를 산출할 때 필요하고, 또한 제조시에 이미 알고 있는 된 각종 데이터를 미리 입력하여 축적하고, 계산시에 적절하게 사용한다.

이하, 제1실시예장치에 있어서의 설치수순예와, 본 발명에 있어서의 터널굴진기의 위치자세 계측벙법을 제8도에 따라서 설명한다. 먼저, 반사피리즘(1) 및 레이저발진부가대(2)의 설치수순예와, 레이저발진부가대(2) 및 수광부가대(3)의 자세조정수순 예를 설명한다.

(단계 100) 터널굴진기(5)의 후방에 반사프리즘(1)을 레이저발진부가대(2)로 향해서 설치하고, 또, 터널굴진기(5)와 반사프리즘(1)의 중간위치에 레이저발진부가대(2)를 설치한다. 양 설치위치는, 미리 행한 정밀측량 또는 시공중의 측량에 의하며 이미 알고 있는 위치로 한다.

(단계 200) 다음에, 레이저발진부가대(2)의 굽어보는 수평각(θf1)(θs1)을 설정한다. 상세하게는 다음과 같다. 반사프리즘(1) 및 레이저발진부가대(2)의 위치는 상술한 바와 같이 이미 알고 있다. 따라서, 수평방향의 회전기준각을 예컨대 터널굴진기(1)의 방향으로 미리 결정하여 둘 수 있다. 그래서 이 기준을 바탕으로, 제어기(4)는 레이저발진부가대(2)를 수평회전시키고, 레이저발진기(21)를 반사프리즘(1)에 정면 대응시킨다. 이어서, 레이저발진기(21)를 발진 시켜서 반사프리즘(1)에서 반사레이저광을 광검출기(23)에서 검출한다. 먼저 제7도(a)(b)를 참조하여 기재한 바와 같이, 반사프리즘 빛의 반사특성으로부터, 레이저발진부가대(2)의 굽어보는수평각을 미소선회시켜, 반사프리즘(1)의 중심을 검출시킬 수가 있기 때문에, 반사프리즘(1)을 향하는 레이저발진부가대(2)의 정밀한 굽어보는 수평각을 측정할수 가 있다. 광검출기(23)가 반사레이저광을 검출할 수 없을 때 제어기(4)는 레이저발진부가대(2)를 굽어보는 수평방향으로 미소 선회시켜 반사프리즘(1)을 검색시킨다. 광검출기가 반사레이저광을 수광하고, 이 수광신호가 제어기(4)에 출력되면, 반사프리즘(1)에 대한 시준(뒤에서 봄) 이 달성된다. 반사프리즘(1)의 시준이 달성되었으면, 제어부(4)는, 레이저 발진부가대(2)의 굽어보는수평각(θf1)(θs1)을 기억한다. 그리고, 굽어보는수평각을 도시하지 않는 로타리에코더 등에 의해 측정할 때에는, 그 측정치를 제어부(4)가 판독하도록 하여도 좋다. 그리고, 상기 시준까지의 굽어보는수평동작 및 시준은, 상기와 같이, 제어기(4)에서 자동 동작되는 것은 아니고, 레이저발진부가대(2) 또는 그 근방에 설치되고, 또한 제어기(4)에 접속된 서브제어기에서, 제어기(4)로부터의 지령에 따라 자동 동작되도록 하여도 좋다. 물론, 상기 시준까지의 동작 및 시준을 사람손으로 행하고, 그 동작결과인 굽어보는수평각(θf1)(θs1)을 제어기(4)에 별도 입력하여도 좋다.

(단계 300) 다음에, 광파거리계(24)에 의하여 레이저발진부가대(2)에서 반사프리즘(1)까지의 거리(L1)를 측정한다. 제어기(4)는, 측정된 레이저발진부가대(2)에서 반사프리즘(1)까지의 거리(L1)를 판독 기억한다. 그리고, 레이저발진기(21)와

광파거리계(24)의 부착상의 위치오차 때문에, 반사프리즘(1)이 광파거리계(24)의 시준내에 들어오지 않을 때, 광파거리계(24)로부터 출력(즉, 거리데이터(L1)을 얻을 수 없다. 이와 같은 때는, 부착상의 위치오차를 보정하기 위해, 굽어보는수평각(θf1)(θs1)을 재조정하여 광파거리계(24)에서 출력을 얻어질 수 있도록 한다. 그리고, 이 보정에 필요한 굽어보는수평각(θf1)(θs1)은, 서로 측점간의 위치관계에 의하여 다르기 때문에, 그 수순은 도시되지 아니한 단계 250으로서, 단계 200과 단계 300의 사이에 실행되도록 되어 있다.

그리고, 상기 (단계 100)∼(단계 300)에서의 설정은, 반사프리즘(1)과 레이저 발진부가대(2)의 각각 위치가 미리 결정되어 있는 것이 전제이지만, 레이저발진부가대(2)의 수평각 기준이 명확하다면, 레이저발진부가대(2)의 위치는 미리 알고있을 필요는 없다. 또, 터널굴진기(5)의 후방으로되면, 부속기계 등이 없어지고, 측량을 위해 사용하는 공간이 넓어지기 때문에, 반사프리즘(1)을 복수배치하는 일이 가능하게 되는 일이 있다. 이때에는, 후방교회법 등의 축량수단에 의하여, 레이저발진부가대(2)의 위치를 구할 수 있음과 동시에, 수평각 기준도 알 수 있기 때문에 러이저발진부가대(2)의 위치 수평각기준을 미리 알고 있을필요는 없다. 그리고, 이 경우는, 도시되지 아니한 푸프에 의하여 단계 100으로부터 단계 300을 설치된 반사프리즘(1)의 개수만큼 반복시키면 된다.

(단계 400) 다음에, 레이저발진부 가대(2)의 위치와 수평각 기준의 간파를 행한다. 상세하게는 수평각제어기(4)는, 기억한 레이저발진부가대(2)의 굽어보는 수평각(θf1)(θs1) 및 레이저발진부가대(2)와 반사프리즘(1)의 거리(L1)로부터, 레이저발진부가대(2)의 위치를 산출함과 아울러, 수평각의 기준을 재설정한다. 그리고, 제어기(4)가 축적하고 있던 레이저발진부가대(2)의 위치와 수평각 기준에 차이가 있으면 그것을 수정한다. 통상, 장치의 설치수순내에 있어서는, 반사프리즘(1)과 레이저발진부가대(2)는 별도의 수단에서 미리 위치를 알고 있으므로, 본 단계 400은 생략, 또는 단계 200에서 억어진 레이저발진부가대(2)의 수평각을 기준으로하여 재정의하여 주는 것뿐이다. 따라서, 본 단계 400이 기능하는 것은, 터널굴진기(5) 굴진중의 적당한 시각에, 반사프리즘(1)을 시준하고, 굴진에 의하여 레이저발진부가대(2)의 위치나 수평각 기준을 검증할 때이다. 그리고 상기한 바와 같이, 레이저발진부가대(2)의 위치, 혹은 수평각의 기준을 미리 알고 있지 않을 때에는, 장치의 설치수순내의 처리에 있어서도, 본 단계 400은 유효하고, 또, 레이저발진부가대(2)의 위치를 산출하는데, 후방교회법 등의 처리를 본 단계 400중에서 행하는 것은 하등 문제가 없다. 또, 본 단계 400에 사용되는 데이터를 제어기(4)가 기억하고, 후술하는 터널굴진기(5)의 위치연산하는 단계 600중에서 실시할 수도 있다.

(단계 500) 다음에, 레이저발진부가대(2)와 수광부가대(3)의 자세를 조정한다. 상세하게는 다음과 같다.

(단계 510) 수광기(31)에 대한 레이저발진기(21)의 방향을 레이저발진부가대(2)의 굽어보는수평각(θf1)(θs1)에서 조정하고 이것과 거의 동시에 수광기(31)의 수광면이 레이저광을 수광할 수 있는 방향으로 수광부가대(3)의 굽어보는 수평각(θf1)(θs1)을 조정한다.

(판단 510) 단계 510의 처리를 실시하여, 수광기(31)가 수광하고 있는가, 혹은 레이저광이 반사프리즘(32)에 닿아서 그 반사광을 광검출기(23)가 검출하고 있는가를 각각의 데이터를 제어기(4)는 판독, 판단한다.

(단계 511) 상기 판단 510에서, 수광기(31)가 수광하지 않을 때, 혹은 레이저광이 반사프리즘(32)에 닿아서 그 반사광을 광검출기(23)가 검출할 수 없을 때에는, 수광부가대(3)를 고정하고(즉, 수광기(31)와 반사프리즘(32)의 자세를 고정하고), 레이저발진부가대(2)를 제어기(4)가 미리 기억한 수순으로 수평으로 회전시켜서, 수광기(31)에서 수광한다. 혹은, 반사프리즘(32)에서의 반사광을 광검출기(23)에서 검출할 수 있도록 한다. 만약, 레이저발진기(21)에서 빛을 반사프리즘(32)이 반사하여 광검출기(23)가 검지한 때에는, 수광기(31)와 반사프리즘(32) 설치시의 기하학적인 관계에서, 다시 레이저발진부가대(2)의 수평각도를 미소조정하여, 수광기(31)에 레이저발진기(21)의 빛을 수광할 수 있도록한다. 이때, 수광기(31)는 단지 수광하는 일이 기준이고, 입사각이 수광기(31)의 검출범위가 아니어도 좋다.

(판단 511) 단계 511 탐색수순이 정상으로 종료한 것을 판단한다. 여기에서, 정상으로 종료하지 않은 경우는, 단계 500에서 수광부가대(3)의 자세를 설정하였음에도 불구하고, 수광기(31)의 수광면이 레이저발진기(21)에서 향하여 전혀 보이지 않는 방향에 있는 경우 등이다.

(단계 520) 레이저광의 입사각이 수광기(31)의 검출범위에 들어가도록, 레이저발진부가대(2)를 고정하고(즉, 레이저발진기(21)와 광파거리계(24)의 자세를 고정하고), 수광부가대(3)를 제어기 (4)가 미리 기억한 수순으로 굽어보는 수평각(θf2)(θs2)을 수광이 가능한 범위에서 회전시켜서 빛의 입사각을 검출할 수 있도록 한다.

(판단 520) 제어기(4)에 미리 기억시키고 있는 수순으로, 입사각이 수광기(31)에 검출가능범위에 들어왔는가를 데이터를 판독하여 판단한다.

(단계 521) 단계 520의 처리를 행하여, 입사각이 수광기(31)의 검출범위에 들어오지 않을 때에는, 입사각 검출범위에 들어오도록 수광부가대(3)의 자세를 다시 크게 바꿀 필요가 있다. 다만, 수광부가대(3)의 자세를 크게 바꾸면, 수광기(31)에 레이저광이 닿지 않게 되는 일도 있을 수 있으므로, 예컨대 다음과같이 행한다. 수광기(31)의 수광면을 밑으로 향하도록 하는 자세부근에 입사각의 검출가능범위를 찾는 경우, 먼저, 레이저발진부 가대(2)의 굽어보는 수평각을 미소조정하여, 레이저광이 수광기(31)의 밑의 위치(제5도를 참조할 때, Z축의 마이너스축)에서 수광할 수 있도록 하고, 다음에 수광기(31) 자세조작의 처리를 전 단계 520에 되돌려서, 입사각 검출범위에 들어가는 수광기(31) 자세를 탐색하여 간다.

(판단 521) 수광기자세를 탐색하는 수순도 제어기(4)에 미리 기억시켜 둔다. 이수순에 미리 탐색하는 자세범위를 정하여 두고, 탐색하는 영역이 남아있는가를 판단한다.

(단계 530) 다음에, 수광기(31)의 정하여진 임의의 수광위치에 레이저광이 닿도록 레이저발진부가대(2)의 굽어보는 수평각(θf1)(θs1)을 미조정한다. 예컨대, 정하여진 임의의 위치는, 반사프리즘(32)에서 레이저발진기(21)와 광파거리계(24) 장치의 설치간격만큼 떨어진 위치로 할 수 있고, 이때, 수광기(31)가 빛의 입사위치와 입사각도를 계측함과 동시에, 광파거리계(24)와 반사프리즘(32)간의 거리(L2)를 계측할 수 있다. 또, 동시계측을 행하기 위해, 경사계(33)에 의하여 측정된 수광기(31)의 롤링각도만큼을 보정한 위치를 정하여진 수광위치로 하여도 좋은 것은 말할 것도 없다. 다만, 이 처리를 실시함에 있어서, 빛의 입사각을 감시하고, 입사각이 수광기(31)에서 검출가능한 범위에 있는 곳에서 그 처리를 중지하고, 다음의 단계 540으로 옮기는 것이다.

(단계 540) 다음에, 입사각이 임의로 정한 범위로 되도록 수광기(31)의 자세를 그 시점의 입사각도를 참조하여, 수공부가대(3)의 굽어보는 수평각(θf2)(θs2)을 미소조정한다. 예컨대, 입사각도는 수광면에 수직으로하여 자세를 조정한다. 이 단계에 있어서도 입사위치를 감사하여, 수광기(31)에서의 수광범위가 있는 곳에서 그 조작을 종료한다.

(판단 540) 단계 530, 540에 의하여, 수광기(31)에서 수광된 레이저광이 입사위치와 입사각이 소망의 값으로 되어 있는가를 판단하고, 그 값으로 되어 있지 않으면, 제9도에 표시하는 바와 같이, 단계 530에 그 처리를 되돌리고, 소망의 값까지 반복한다. 그리고, 이 판단 540에 있어서, 정하여진 입사위치와, 입사각에 범위를 설치해서, 그 범위내이면 좋다고 하는 판단도 본 판단 540의 중에 포함되는 것은 당연하다.

이상의 단계 500에 관한 처리를 통하여, 레이저발진부가대(2)와 수광부가대(3)는 정면대응 상태로 사람의 손을 거치지 않고 할 수 있으므로, 자동화가 용이하다.또, 단계 599로서, 각 판단의 단계에서, 수광기(31)가 탐색되지 않는 빛의 입사각이 적당 범위내로 들어오지 않는 등의 때에는, 제어기(4)는 에러신호를 도시되지 아니한 표시기 등에 출력하여, 사람의 손에 의한 레이저발진부가대(2)와 수광부가대(3)의 자세를, 한쪽 또는 양쪽을 재조정하여 에러가 있던 다음의 단계 혹은, 단계 510으로 되돌아가도록 하여도 좋다.

그때에는, 사람의 손에 의해 조정된 레이저발진부가대(2)와 수광부가대(3)의 한쪽 또는 양쪽의 자세데이터를 제어부(4)에 입력하여도 된다.

그리고, 단계 500의 수순은, 터널굴진기(5)의 위치가 명확한 경우(예컨대, 터널굴진기(5)의 굴진중에 있어서, 반사프리즘(1)을 시준하고, 재차 터널굴진기(5)의 위치자세를 계측하기 위하여, 수광부가대(3)를 시준하도록 하는 경우)이고, 불명확한 경우(최초의 장치설치나, 레이저발진부가대(2)와 장소의 이동설치 등에 의한 경우)는, 사람손에 의해서 레이저발진부가대(2)와 수광부가대(3)의 자세를 설치하고, 그 설치값을 제어기(4)에 입력하여 단계 500의 처리를 행한다. 또는 자세조정이 정확하다면 단계 500의 처리를 생략하여도 좋다.

(단계 600) 다음에, 제어기(4)는, 레이저발진부가대(2)의 굽어보는 수평각, 수광부가대(3)의 굽어보는수펑각, 광파거리계(24)와 반사프리즘(32)과의 거리(L2), 수광기(31)의 검출하는 입사위치, 입사각 및 경사각(33)의 검출하는 수광기(31)의 수평레벨(S)을 데이터로서 판독, 터널굴진기(5)의 위치, 자세를 연산한다. 다시 말하면, 수광기(31)의 검출하는 입사각과 경사계(33)의 계측하는 수광기(31)의 수평레벨(S) 및 수광부가대(3)의 굽어보는 수평각에서, 터널굴진기(5)의 자세를 산출하고, 레이저발진부가대(2)의 굽어보는수평각, 광파거리계(24)와 반사프리즘(32)의 거리(L2) 및 수광기(31)의 검출하는 입사위치로부터 수광기위치 또는 반사프리즘위치를 산출한다. 다만, 이것은 레이저발진부가대 (2)를 기준으로 한 위치이므로, 단계 400에서 구한 레이저발진부가대(2)의 위치를 사용하면, 반사프리즘(1)으로부터의 위치를 산출할 수가 있다.

통상, 터널굴진기(5)의 위치는 선단부에 잡지만, 수광기(31) 또는 반사프리즘(32)의 위치가 구하여지고, 터널굴진기(5)의 자세가 결전되면, 그 위치좌표의 변환은 용이하게 할 수 있다. 그리고, 구하여진 터널굴진기(5)의 자세는, 피칭각, 롤링각은 중력기준으로 산출되나, 회전각은 레이저발진기(21)가 내는 레이저광의 수평각을 기준으로 한 각도가 한출된다. 레이저발진기(21)의 수평각 기준은, 후방에 설치된 반사프리즘(1)을 향하는 각을 기준으로 하고 있으므로, 즉, 레이저발진부가대(2)와 반사프리즘(1)을 향하는 선의 방향을 기준으로 터널굴진기(5)의 회전각을 산정하고 있는 것으로 된다. 따라서, 이 레이저발진부가대(2)와 반사프리즘(1)을 연결한 선의 방향을 방위와 관계시켜 두면, 터널굴진기(5)의 회전각을 굴진하는 방위로서 나타낼 수 있음은 말할 것도 없다.

(판단 700) 터널굴진기(5) 굴진중에 있어서는, 단계 530 또는 단계 500에 처리를 넘기고, 터널굴진기(5)의 위치자세 계측을 반복한다(루프 701). 또, 레이저발진부가대(2)를 미소조정하는 것을 반복하기 위해, 그 수평각기준이 바뀌지 않았는가를 검증하기 위해, 예컨대, 터널굴진기(5)의 굴진거리 50㎝마다에 후방의 반사프리즘을 시준하는 동작을 행하게 할 때는, 단계 200에 제어를 넘긴다

(루프 702). 그리고, 터널굴진기(5)의 굴진이 진행하여, 레이저발진부가대(2)를 이동설치할 때에는, 이동설치 후의 레이저발진부가대(2)의 자세설정이 용이하게 되도록, 터널굴진기(5)의 위치자세를 보관하고, 계측 처리를 종료시킨다.

이상의 단계중, 장치의 설치 혹은 이동설치에 의하여, 사람의 손이 중간에 있을 수 있는 것은, 설치수순의 부분루틴(단계 100∼단계 500)을 최초로 통할 때이고, 터널굴진기의 굴진중에 있어서의 위치자세 계측방법의 부분은 루틴(단계 200∼단계 700)이다.

상기 제1실시예에 의하면, 다음의 효과가 있다.

(1) 수광기(31)는 수평회전 가능한 가대(7)상에 구비하고 있기 때문에, 급곡진시공에서도, 수평회전시키는 것에 의하여, 수광기(31)가 갖는 입사각의 제한 범위로 억제할 수 있고, 또, 구배시공이나 높이가 도중에서 변화하는 시공에서도 회전시키는 것에 의하여, 상기와 마찬가지로, 수광기(31)가 갖는 입사각의 제한범위로 억제할 수가 있다. 즉, 최근 시공사례가 생긴 급곡진시공이나, 구배시공이나, 높이가 도중에서 변화하는 시공에서도, 터널굴진기의 위치 및 자세를 고정밀도로 계측할 수 있다.

(2) 레이저발진부가대(2)는, 후방 1개의 반사프리즘(1), 전방의 반사프리즘(32) 및 이 반사프리즘(32)에 근접설치된 수광기(31)의 수광면을 향할 수 있는 곳에서는, 어디라도 자유로이 설치할 수 있다. 즉, 시준공간의 설정자유도가 높아진다. 예컨대, 터널굴진기(1)의 굴진이 진행하던가, 급한굴진하던가, 구배가 생기던가하여 시준이 불가능하게 된 때에도, 레이저발진부가대(2)의 설치위치를 시준할 수 있는 위치로 자유롭게 변경하는 것에 의해, 터널굴진기의 위치 및 자세를 고정밀도로 계측할 수가 있다.

(3) 더욱이 수광기(31)는, 1개의 가는 빛이 입사하는 것만으로, 수광면의 수광중심위치와 레이저수광위치의 위치오차량 및 수광면의 법선방향에 대한 입사각을 동시에 계측할 수 있는 것을 사용하고 있다.

이 때문에, 종래 빛을 사용해서 위치 및 자세를 계측할 때에 문제로 되고 있던 광로확보가 용이하게 된다. 이 광로확보의 용이화도, 나아가서는 급곡진시공, 구배시공, 높이가 도중에서 변화하는 시공에서도, 터널굴진기의 위치 및 자세를 고정밀도로 계측할 수 있는 원인으로 되어 있다. 그리고, 수광면의 수광중심위치와 레이저수광위치의 위치오차량 및 수광면의 법선방향에 대한 입사각을 동시에 계측할 수 있는 것을 사용하고 있으므로, 레이저발진부가대(2)와 수광부가대(3)를 정면대응시키는 조건을 용이하게 구할 수 있으므로, 자동화에 의해 사람손에 의한 번잡한 시준조정을 생략하는 원인으로도 되고 있다.

제10도의 제2실시예 장지를 설명하다.

이 수광부가대(3)는, 상기 제1실시예의 수광부가대(3)가 수평방향으로 회전되는 것에 반하여, 수평방향의 회전밖에 되지 않는 예이다. 다른 것은 상기 제1실시예에 준한다. 그리고, 본 실시예의 레이저발진부가대(2)의 가대는, 제10도에 표시하는 바와 같이, 수평회전스테이지를 U자형 블럭으로 성형하고, U자형간에 수평축을 설치하고, 이 수평축둘레에 레이저발진기(21), 비임스프릿터(22), 광검출기(23) 및 광파거리계(24)가 일체적으로 회전 가능하게 고정 설치되어 있다. 이와 같은 제2실시예는, 터널굴진기(1)의 롤링이 적은 시공이나, 적어지도록 하는 운전을 행하는 경우의 터널굴진기(1)의 위치 및 자세의 계측에 유효하다. 그리고, 후자 롤링이 적어지도록 하는 운전이라 함은, 롤링이 크게될 것 같은 곳에서는, 롤링의 발생을 저지하기 위해, 터널굴진기(1)를 역회전굴삭시키는 운전을 예시할 수 있다. 그리고, 본 제2실시예는, 상기 제1실시예와 동일한 효과가 얻어지는 것은 말할 것도 없다.

그리고, 앞에 설명한 장치의 설치수순 및 위치자세 계측방법중, 단계 520에서 판단 540에 이르기까지의 수순은, 제11도에 표시하는 바와 같이, 이하와 같이하여도 좋다. 수광기(31)의 수광위치정보로부터 광파거리계(24)가 반사프리즘(32)을 시준할 수 있도록, 레이저발진부가대(2)의 자세를 조정하여 광파거리계(24)와 반사프리즘간의 거리(L2)를 계측한다 (단계 520a). 레이저발진부가대(2)의 위치와 단계 520a에서 계측된 광파거리계(24)와 반사프리즘간의 거리(L2)를 기초로, 제어기(4) 또는 별도의 컴퓨터상에 있는 터널굴진기(5)의 시공계획선 데이터를 참조하여, 현재의 터널굴진기(5)의 위치자세를 추정한다(단계 530a). 추정된 위치자세에서, 수광부가대(3)의 자세를 결정하여, 적어도 수평각을 조정한다. 이때, 레이저발진부가대(2)의 자세는, 수광기(31)에 의하여 입사위치를 검출할 수 있는 위치라면 그대로하여 두고, 벗어날 것 같으면 단계 520a에 들어가기 전에 가지고 있던 굽어보는수평각으로 제조정한다(단계 540a). 이에 의하여, 입사각이 수광기(31)에서 검출되고 있는가를 판단한다(판단 540a). 입사각이 검출될 수 있는 범위가 아니라면, 레이저발진부가대의 자세를 고정하고, 수광기(31)의 자세를 조정한다. 이 수순은 미리 제어기(4)에 기억되어 있다.(단계 541a). 단계541a가 정상으로 종료하는가를 판단한다(판단 541a). 단계 599 이하는 전술한 바대로 사용할 수 있다.

본 루틴은, 터널굴진기가 시공계획선으로부터 크게 떨어져 있지 않을 때(구체적으로는 수광기(31) 수광면 크기의 반정도)에 수광기(31)가 신속하게 입사위치와 입사각을 검출할 수 있게될 때까지의 유효한 수순이다. 그리고,본 루틴과 앞에 표시한 루틴을 혼합하여, 본 루틴에서 수광기(31)가 레이저광의 입사위치, 입사각을 검출할 수 없으면, 제8도에 표시한 루틴의 단계 520으로 들어가도록 하여도 좋다.

상기 실시예의 설명에서 명백한 바와 같이, 본 발명은 특허청구의 범위에 기재된 수순을 강구한 것이며, 상기 실시예의 설명에서 알 수 있듯이, 시공사례가 생긴 급한 곡면시공, 구배시공, 높이가 도중에서 변화하는 시공에서도, 터널굴진기의 위치 및 자세를 고정도로 계측할 수 있다.

Claims (2)

1. 트래버스측량방법으로 터널굴진기의 위치자세 계측방법에 있어서, (1) 터널굴진기(5) 후방의 측점(B)에서 터널굴진기(5)의 측점(C)에 설치된 목표를 시준할 때에, 터널굴진기(5)의 측점(C)에 설치된 목표의 임의로 정한 점을 측점(B)에서 시준(視準)하도록 하며, 측점(C)에 설치된 목표에서 측점(B)을 향하는 각이 임의로 정한 각도로 되도록 하고, (2) 측점(B)에서 측점(C)의 목표를 향하는 각도와 거리 및 임의로 정한 점의 위치를 사용하여, 측점(C)의 위치를 산출하고, (3) 측점(C)에 설치된 목표에서 측점(B)을 향하는 각도와 목표의 수평레벨(S)혹은 터널굴진기(5)의 수평레벨(S')에서 터널굴진기(5)의 자세를 산출하고, (4) 터널굴진기(5)의 측량중에 임의 시간에, 터널굴진기(5)의 후방에 설치된 측점(B)에서 또한 후방에 설치된 이미 알고있는 측점(A)에 설치된 목표를 시준하는것에 의하여, 측점(B)의 위치를 산출하며, 터널굴진기(5)의 위치를 이미 알고있는 측점(A)에서 산출하는 것을 특징으로 하는 터널굴진기의 위치자세 계측방법.
2. 터널굴진기의 위치 및 자세를 계측하는 것을 달성하여 이루어지는 터널굴진기의 위치자세 계측장이에 있어서, (1) 터널굴진기(5)의 측점(C)에, 레이저발진기(21)와 광파거리계(24)에 대하여 정면 대응 가능하도록, 레이저발진기(21)에서 레이저광을 수광하여 그 입사위치와 입사각도를 검출할 수 있는 수광기(31)와, 반사프리즘(32)을 수평방향으로 회전 가능하게 설치함과 아울러, 수광기(31)의 수평레벨(S) 혹은 터널굴진기의 수평레벨(S')을 검출하는 경사계(33)를 설치하고, (2) 터널굴진기(5)의 후방 측점(B)에, 상기한 수광기(31)와 상기한 반사프리즘(32)에 대하여 정면 대응 가능하도록, 또한 후방의 측점(A)에 반사프리즘(1)을설치한 때는 뒤에서 보아 이 반사프리즘(1)에 대햐여도 정면 대응 가능하도록, 상기한 레이저발진기(21)와, 상기한 광파거리계(24)를 굽어보는방향 및 수평방향으로 회전 가능하게 설치함과 아울러, 상기한 반사프리즘(1)(32)에서 반사한 상기 레이저발진기(21)에서 레이저광을 수광하는 광검출기(23)를 설치하고, (3) 원하는 위치에, 레이저발진기(21)와 광파거리계(24)의 굽어보는 방향 및 수평방향의 회전각도와, 수광기(31)와 반사프리즘(32)의 수평방향으로 회전각도를 제어조정하여, 레이저발진기(21)와 광파거리계(24)의 굽어보는 방향 및 수평 방향으로의 회전각도와, 수광기(31)와 반사프리즘(32)의 수평방향으로의 회전각도와, 수광기(31)에 의하여 검출된 빛의 입사위치와 입사각과, 광파거리계(24)에서 반사프리즘(1)(32) 사이의 각각의 거리와, 경사계(33)에서 수광기(31)의 수평레벨(S) 혹은 터널굴진기(5)의 수평레벨(S')을 판독하여 터널굴진기(5)의 위치 및 자세를 산출하는 제어기(4)를 구비한 것을 특징으로 하는 터널굴진기의 위치자세 계측장치.